動力貓道支架的優化設計

史　萌（寶雞職業技術學院,陜西　寶雞　721000）

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動力貓道支架的優化設計

史萌
（寶雞職業技術學院,陜西寶雞721000）

摘 要：重量控制是海洋平臺結構設計重中之重，它影響到平臺穩定、運動性能及平臺作業能力。本文應用分析軟件對動力貓道支架進行參數化優化設計，確保模塊的在各個復雜工況下能夠正常工作，同時模塊的重量在控制范圍內，從而完成結構的可靠性設計和優化設計。

關鍵詞：優化分析；重量控制；貓道支架

0　引言

海洋平臺可在較深海域作業，能適應較惡劣的海況條件,具有良好的移運性[1]。在設計過程中確保平臺強度和重量的合理性，是平臺設計建造成功的關鍵[2-3]。對于海洋平臺動力貓道支架模塊的設計，采用參數化設計確保結構合理、強度足夠，在各個惡劣工況下能夠正常工作的同時，又能保證模塊重量在控制范圍內。

1　數學模型

對于貓道支架模塊重量的控制，也就是對支架模塊框架結構梁單元的重量控制，即梁的截面面積和長度作為變量輸入進行控制；支架模塊大梁在設備載荷作用下撓度較小和重量較小是作為目標函數輸出。

輸入變量為梁截面面積和長度，組焊H鋼；目標函數有兩個，分別是確保支架模塊大梁的撓度最小和重量最小。截面的面積A、慣性距I和梁受到均勻載荷q時的最大撓度fmax分別為：

因此，模塊強度和重量控制問題歸結為對兩個目標極小化的優化問題，建立數學模型如下，來尋求最優解。

采用有限元計算軟件進行優化設計分析，分別在程序中定義設計變量和目標函數，同時在ANSYS中對設計變量設置上下偏差值進行50次迭代計算，部分優化結果如表1所示。

表1　優化結果（部分數據）

根據優化出的數據可以知道，最優解為第三列的數據，重量和撓度都比較小。對表1中第三列數據進行圓整，支架的主框架大梁采用H250×120×8×12，既能夠滿足力學性能的要求又能滿足重量的控制，同理可得出支腿主梁結構截面。

2　支架模塊有限元建模

根據最優解，采用ANSYS軟件對支架模塊進行整體建模。支架模塊主體采用Beam44梁單元，對于支架上設備如隔水管和貓道機采用Mass21質量單元。建立的有限元模型如圖1所示。

圖1　支架模塊有限元模型

3　工況分析

動力貓機支架模塊主要受到其自身主體重量以及設備載荷等，同時不同工況下對應的風載如表2所示，根據API Spec 4F規定，在最大迎風角度下計算動力貓道支架的風載；并根據AISC335-89《鋼結構手冊》中軸心壓/拉彎組合的規定校核結構穩定性。

表2　 支架模塊工況組合

4　結果分析

對根據最優解所建的動力貓道支架模塊進行求解，計算出最優解對應的支架模塊各個工況下的力學性能。在這幾個工況中，2工況屬于較為惡劣的工況，因此下面只列出2工況的結果。

圖2　整體位移　

圖3　組合應力

由圖2可知，支架模塊最大位移變形為29.7mm，位于支架的中間位置，在允許范圍內；由圖3可知支架模塊最大應力為127.3Mpa，位移支架與鉆臺面的連接處；并且計算出結構的各桿件校核穩定值Uc值最大為0.65，且結構的應力均小于許用應力，因此該支架的強度和穩定性足夠。

5　結論

模塊重量控制是海洋平臺設計的關鍵，通過參數優化分析得到的最優解來確定模塊結構，從而進行下一步強度分析；既確保模塊結構合理強度足夠，又保證模塊重量在控制范圍內，確保結構的可靠性以及結構優化設計。

參考文獻：

[1]段艷麗,張金平等.半潛式平臺的波浪載荷計算[J].石油礦場機械,2006,35(02):41-44.

[2]徐志海.海洋平臺建造中重量、重心控制的意義和基本方法[J].船舶設計通訊,2011(127):12-15.

[3]徐志海.中油海9號平臺建造項目管理若干問題的研究[D].上海交通大學,2011(04).

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.083